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EDUCACIÓN
Discos ópticos y sus unidades
Orígenes
Los discos ópticos
aparecieron a fines de la década de los 80’, siendo
utilizado como un medio de almacenamiento de información para
la televisión. Su alta capacidad y su fácil
transportabilidad, hicieron que este dispositivo se popularice
y comience a comercializarse en 1988 y a utilizarse en las
computadoras.
La primera generación de discos ópticos se invento en
Philips, y el desarrollo se realizo con colaboración de Sony.
Los discos ópticos utilizan dos tecnologías para el
almacenamiento de datos: WORM (Write Once Read Many) y
CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory).
Los discos magneto ópticos utilizan la tecnología WMRA
(Write Many Read Always), que permite leer y escribir tantas
veces como sea necesario.
Discos ópticos
Disco Óptico:
Un disco sobre el que se lee y escribe con luz. En
esta categoria se incluye los CD-ROMs, que son grabados en el
momento de su fábricación y no pueden ser borrados. Los
Worms(Write Once Read Many) que son grabados en el entorno del
usuario y tampoco pueden ser borrados. Y los borrables, que
son aquellos que pueden ser reescritos una y otra vez, para
esto se utiliza la tecnología Magnéto Óptica(MO) y cambio
de fase. Estos temas se explicarán a continuación en
detalle.
CD-ROM
Estos discos se basan en la misma tecnología que se
utiliza en los CDs de audio, y fue la primera que se
desarrollo. Este medio de almacenamiento tiene la desventaja
de que no es posible reescribir en ellos, esto lo hace un
medio ideal para distribuir software. Estos discos pueden
producirse en masa, a muy bajo costo y con una maquinaria
totalmente automatizada.
Los CD-ROMs se
elaboran utilizando un láser de alto poder para formar
agujeros en un disco maestro, luego se hace un molde que se
usa para imprimir copias en discos plásticos. Luego se aplica
en la superficie una delgada capa de aluminio, seguida de otra
de plástico transparente para protección.
Los CD-ROMs se
leen mediante un detector que mide la energía reflejada de la
superficie al apuntar a esta un láser de bajo poder. Los
agujeros, que se denominan huecos (pits), y las áreas sin
laserizar entre estos, que se denominan zonas planas (lands),
producen una diferente reflectividad del haz de láser, lo que
hace posible distinguir entre ambos y recibir dos estados
posibles: 0 y 1. Pero no se indica un 0 o un 1 con un land o
un pit, sino que un pit indica el cambio de estado, osea de 0
a 1 o de a 1 a 0, y segun la cantidad de lands que haya, el
estado se mantiene estable, osea mientras no se cambie de
estado se mantiene una zona de lands(Ver figura 1). De esta
manera, se trata de realizar la minima cantidad de
huecos(pits) posibles en el disco, y así poder escribir más
rápidamente.
Puede estimarse
entre 10 y 15 años la permanencia de la información en un CD
ROM común, dado que la superficie de aluminio que contiene la
información se oxida muy lentamente en ese lapso, salvo que
sea sometida a una protección anti-óxido especial, o sea de
oro
Los CD-Roms están
constituidos por una pista en espiral que presenta el mismo número
de bits por centímetro en todos sus tramos(densidad lineal
constante),para aprovechar mejor el medio de almacenamiento, y
no desperdiciar espacio como sucede en los discos magnéticos.
Es por esto que en la lectura y grabación de un CD, a medida
que el haz láser se aleja del centro del disco, la velocidad
debe disminuir, ya que en el centro el espiral es de menos
longitud que en los bordes(ver figura 2). Alternando las
velocidades se logra que la cantidad de bits leídos por
segundo sea constante en cualquier tramo, sea en el centro o
en los bordes. SI esta velocidad sería constante, se leerían
menos bits por segundo si la zona esta más cerca del centro,
y más si esta más cerca de los bordes. Todo esto significa
que un CD gira a una velocidad angular variable.
Para poder
lograr que los CDs tengan igual densidad en cualquier tramo de
la espiral, en la grabación , el haz láser emitido por la
cabeza( que se mueve en línea recta radial desde el centro al
borde del plato) genera la espiral a velocidad lineal
constante(CLV), esto significa que la cantidad de bits
grabados por segundos será constante.
Pero para poder
lograr esto, y mantener una densidad lineal constante y la
pista en espiral, será necesario que el CD gire a una
velocidad angular variable(explicado anteriormente). Por lo
tanto, por girar un CD a una velocidad angular variable, y ser
escrito a velocidad linear constante, se escriben y leen la
misma cantidad de bits por segundo y por centímetro,
cualquiera sea la posición del mismo. Mientras que cada
vuelta de la espiral contendrá más o menos bits según si
este más cerca del centro o del borde.
Uno de los
problemas del CD-ROM es que la impresión de discos de
aluminio con cubierta plástica no es muy precisa, por lo cual
la información digital contiene, por lo general, muchos
errores. Existen dos formas para corregir estos errores:
La cabeza
lectora de la unidad contiene un espejo de precisión manejado
por un mecanismo que se utiliza para encontrar errores en la
superficie del disco.
Los datos se
graban utilizando un algoritmo denominado ‘código de
corrección de errores de Reed Solomon’. Este es similar al
algoritmo de Hamming, pero al utilizar mas bits de paridad,
puede corregir mayor cantidad de errores.
Un tipo de CD-ROM de 60 min de duración (también son comunes
los de 74 min) presenta la espiral constituida por 270000
marcos conteniendo cada uno 2048 bytes (2 K) para datos. En
total se pueden almacenar: 527 Mb. La espiral presenta unas
16000 vueltas por pulgada radial(t.p.i). Se debe tener en
cuenta que en el espesor de un cabello entran 50 vueltas.
Antes de grabar
el disco "maestro",un programa fracciona cada
archivo a grabar en marcos de 2048 bytes de datos, y les
agrega, conforme a los campos de un marco.:
unos y ceros
indicadores de comienzo de marco , que sirven para sincronismo
con la lectora de CD.
una secuencia de bits que irá en la cabecera (header) de cada
marco para poder localizarlo.
Para poder localizar un marco dentro del CD , este se
identifica por una dirección formada por 3 variables.
Teniendo en cuenta el CD de 60 minutos (antes explicado), las
primeras dos variables de la dirección son los minutos y los
segundos horarios(mm:ss), los cuales obviamente varían desde
0 hasta el 59. El comienzo del espiral, o sea el centro del
CD, tiene la dirección 00:00, este va progresando según va
creciendo el espiral, hasta llegar a la dirección 59:59. Pero
estas direcciones no son suficientes para localizar cada
marco, de ahi viene la utilidad de la tercer variable. Esta
variable, indica el numero de marco, teniendo en cuenta los
minutos y segundos, y sus valores pueden ser desde el 0 hasta
el 74. Osea, que por cada segundo , hay 75 marcos. De esta
manera hay 60 valores posibles para los minutos y los
segundos, y 75 para cada marco, hay 270 000 direcciones
posibles, por lo cual existe una dirección para cada marco.
Teniendo en
cuenta esto, podemos deducir, que por ejemplo el marco 155,
tendrá la dirección 0:2 4. Esto se deduce ya que sí por
c/seg existen 75 marcos, si la dirección es 2 seg, esta
pertenece al marco 150, entonces para direccionar el marco
155, el marco es el numero 4.
Existen
unidades lectoras de CD-ROM de tipo 2x, 4x, 6x,... velocidad
simple de una unidad de CD de audio estándar respectivamente.
Si bien los
CD-ROM son los CD más usados para almacenar programas y
datos, las unidades lectoras de CD actuales también permiten
leer información digital de otros tipos de CD basados en la
misma tecnología, con vistas a aplicaciones en multimedia,
como ser: CD-DA (Digital Audio): es el conocido CD que
escuchamos en un reproductor de CD para audio. Podemos
escuchar la música que contiene mientras trabajamos con una
PC, o bien mezclarla en usos multimedia.
CD-I son las iniciales de disco compacto interactivo. De
tecnología semejante al CD-ROM, puede combinar datos, audio y
video, conforme a un estándar multimedia propuesto por
Phillips y Sony en 1986. Este también define métodos para
codificar y decodificar datos comprimidos, y para
visualizarlos. Almacena 72 minutos de audio digital estéreo
ó 19 horas de conversación de calidad en mono, ó 6000 a
1500 imágenes de video - según la calidad deseada- que
pueden buscarse interactivamente y mezclarse. Para utilizarse
el mismo, se requiere de una plaqueta especial.
CD-ROM XA (de extended Architecture): es un estándar para
sonido e imagen propuesto por Phillips, Sony y Microsoft,
extensión de las estructuras de un CD-ROM, que especifica la
grabación comprimida de sonido en un CD-ROM por el sistema
ADPCM, también empleado en CD-I. Esto hace que un CD-ROM XA
sea un puente entre el CD-ROM y el CD-I.
DVI es un tipo de CD ROM que integra video, televisión, gráficos
con animación, audio multicanal y textos. Necesita plaquetas
adicionales. Debido a una técnica de compresión de datos, éstos
ocupan 120 veces menos lugar, permitiendo ver una hora de
video de 30 imágenes por segundo. A esta velocidad, dado que
una imagen de TV ocupa 600 KB, para ver un segundo se
requieren 600 KB x 30 = 18 MB. De no existir compresión, los
600 MB de un CD ROM sólo permiten unos 600/18 » 30 seg. de
visión. Los reproductores de CD actuales pueden leer CD-ROM,
CD-R (de varias sesiones), CD-ROM XA, Photo CD, Video-CD,
CD-I, CD-plus, y CD-DA.
WORM
Los WORMs (Write Once Read Many) son discos òpticos
en los que, como el nombre lo indica, se puede escribir una
sola vez, y acceder a los datos tantas veces como se quiera.
Estos aparecieron ya que este dispositivo permite al usuario
escribir el mismo en el disco. Sin embargo, una vez que se ha
laserizado un hueco en la superficie, este ya no puede
borrarse. Los discos que utilizan la tecnología Worm más
conocidos en el mercado son los CD-R (Compact Disc
Recordable), llamados anteriormente CD-WO(Write Once).
El proceso de
grabación se realiza de la siguiente manera: el CD contiene
una espiral, parcialmente pregrabada de fabrica que contiene
las direcciones de los marcos, que sirve de guía para el láser.
Este espiral posee una capa orgánica(un pigmento) translúcida
que cuando el haz incide en una posición, esta se calienta
decolorando el pigmento. En sima de esta capa se encuentra un
capa de oro que sirve para reflejar el haz láser en cada
lectura.
En la lectura,
la capa orgánica deja pasar el haz láser hacia la capa de
oro, o sea la capa reflectora, reflejandose de forma distinta
según el haz haya atravesado un punto decolorado o no,
simulando de esta manera en la lectura pits para las zonas
decoloradas, y lands para las zonas donde no incidió el láser.
Esto sucede ya que las zonas decoloradas producen una
reflexion similar a la de un pit, y lo mismo con la de una
zona sin decolorar con un land. Es por esto que CD-R ya
grabado se lee como un CD-ROM .
Un CD-R no es
necesariamente grabado en una sola sesión, se puede grabar en
varios momentos como archivos que se quiere incorporar, hasta
llegar a los 650 Mb(llamamos sesión a cada momento que se
graba una determinada cantidad de archivos en un CD-R). Es por
esto que un CD-R se debe grabar con la siguiente estructura
para poder contener múltiples sesiones:
Los primeros 4
mm de ancho radial de una espiral de un CD-R o de un CD-ROM
constituyen el "lead in", que antecede a la zona de
datos. Esta es de unos 29 mm de ancho, y le sigue el
"lead out" de 1 mm.
En un CD-R, el
"lead-in" es precedido por dos áreas necesarias
para alinear el haz láser a fin de poder grabar lo que sigue.
Cada sesión de grabado de la espiral debe comenzar con la
escritura de un "lead in", y terminar con la de un
"lead out". A su vez, cada "lead in" debe
contener la tabla de contenidos ("Table of contents"
TOC), índice de los datos grabados en la sesión
correspondiente.
Debe
mencionarse que un CD-R grabado en "multisesiones"
debe ser leído por un lector de CD-ROM apropiado (como son
los actuales). De no serlo, sólo leerá la primer sesión.
Los sistemas operativos de una PC utilizan para la lectura de
un CD-ROM el formato lógico HSG/ISO 9660. Este es un estandar
de una organización interna de los CD –ROM establecida en
1985 por la empresa High Sierra Group, utilizado para
establecer normas de compatibilidad entre los CDs.
Uno de los usos
del CD-R que no se mencionó es el del Photo Cd. Este es un
estándar elaborado en 1990 por Phillips y Eastman Kodak que
especifica el procedimiento para convertir fotografías de 35
mm en señales digitales para ser grabadas en un CD-R en una o
varias sesiones. La grabación se realiza durante el revelado
de la película. Así se guardan cientos de fotos color en un
CD-R.
Discos
magneto ópticos
Estos discos
aparecieron en el mercado en el año 1996, llamados
MO(magneto- ópticos)con la posibilidad de escribir y borrar
en ellos tantas veces como sea necesario, debido a que apareció
la necesidad de poder actualizar el software sin la necesidad
de tirar los discos.
Estos discos
están formados por una fina capa de material magnetisable y
reflectante, protegida entre 2 capas de material de plástico
transparente. El material magnetizable tiene la función de
almacenar la información en pistas concéntricas, a
diferencia de los ópticos que se graban en espiral. Por esto,
estos discos se leen y graban a una velocidad angular
constante, similar a los discos magnéticos. Esto significa
que siempre que se lee la misma cantidad de sectores por
segundo, y de esta manera la cantidad de bits leídos por
segundo siempre es la misma.
Método
de escritura:
La escritura
termomagnètica involucra el uso de un haz de láser que
modifica la temperatura de Curie de la película magnética.
La temperatura de Curie de un material magnético es la
temperatura a la cual el material pierde su campo magnético
coercitivo. Esto sucede entre los 150 y 200 ºC para la mayoría
de las películas magnéticas usadas. Cuando esto ocurre, el
material pierde toda memoria de su magnetización anterior y
puede adquirir una nueva magnetización si se lo enfría en
presencia de un campo magnético externo.
La grabación
se realiza invirtiendo un dominio magnético para indicar un
uno y dejándolo igual para marcar un cero. Para poder hacer
esto, se necesita inicializar todos los dominios en cero. Esto
significa que para grabar datos, es necesaria una pasada de
borrado que debe ser realizada antes de la escritura para
inicializar los dominios.
Lectura:
Para leer los datos
almacenados en un disco magneto óptico se debe interpretar el
cambio en la reflexión de la luz reflejada en un haz
reflejado. Este fenómeno físico en el cual se basa la
tecnología de los discos magneto óptico regrabables, es
conocido como el efecto Kerr. Este se manifiesta en un cambio
en el estado de la polarización de la luz mediante la
interacción con un medio magnetizado.
También existe
otro método de lectura que esta basado en el efecto Faraday,
que en algunos aspectos es similar al de Kerr.
Tecnología de cambio de fase:
Esta tecnología, que es la utilizada por los CD ópticos
re-escribibles llamados CD-E (CD-Erasable), hoy designados
CD-RW (CD ReWritable), se basa en la propiedad que posee una
capa de material como el teluro (mezclado con germanio o
antimonio), de cambiar del estado amorfo (0) al cristalino (1)
si se alcanza la "temperatura transición" (100 ºC
ó más); y de volver de cristalino a amorfo, si se alcanza la
"temperatura de fusión" y se deja enfriar. Para
escribir un uno en un punto de una pista del disco, un láser
con baja potencia lo calienta rápidamente hasta la
temperatura de transición. Si el estado físico del punto era
amorfo, pasa a cristalino; y si ya está en este estado,
quedará igual. Un cero se escribe calentando el punto hasta
la temperatura de fusión, usando el láser con alta potencia.
Al enfriarse pasa al estado amorfo, y si estaba en ese estado
volverá al mismo.
La lectura de
las pistas así grabadas se realiza con el mismo cabezal,
recorriéndoles con el láser de Potencia diez veces menor. La
luz láser reflejada al ser sensada permite detectar, por
diferencias de reflectividad, los cambios de un estado físico
al otro, a lo largo de la pista. Un punto en estado cristalino
refleja el 70% de la luz incidente, y en estado amorfo el 18%.
Se debe aclarar que esta tecnología es puramente óptica, sin
magnetismo, requiriéndose una sola pasada para escribir, a
diferencia de la MO, que necesita borrar (escribir todos
ceros) y luego escribir los unos.
Discos y
unidades PD
Los discos PD
(Phase change/Dual) se basan en la tecnología de cambio de
fase tratada, pero las pistas generadas son concéntricas,
como en los discos magnéticos (en los CD-WR se tiene una sola
pista en espiral) Las unidades PD también pueden leer discos
con espiral (CD-ROM, CD-R, CD-RW), de donde proviene la
denominación "dual". Por tal motivo aparecen con la
denominación PD/CD-ROM
Otras
Tecnologías
DVD-ROM
Los DVD-ROM (Digital Versatil Disk) de "simple
capa" tienen el mismo tamaño que un CD-ROM de 680 MB, y
se basan en la misma tecnología de grabación y lectura que
éstos, pero pueden almacenar 4,7 GB de datos (7 veces más),
video o audio. Típicamente pueden transferir unos 1,3 MB/seg
para computación (como un CDx1O). Esto se ha logrado:
Disminuyendo
a la mitad la longitud de los "pits" en relación a
un CD-ROM
Llevando al doble que un CD-ROM el número de vueltas por
pulgada radial de la espiral(un CD-ROM presenta 16000 vueltas
por pulgada radial).
Usando un haz láser de color azul, de menor longitud de onda
que el rojo, a- fin de poder sensar "pits" de menor
longitud.
El DVD estándar que se comercializará en el mercado es fruto
del acuerdo entre Phillips - Sony y Toshiba. Este DVD puede
almacenar 2 hs de video de calidad, con títulos y sonido.
Asimismo, los 4,7 GB permiten guardar 135 minutos de films
(duración típica de una película de cine) en reemplazo de
una cinta de video. Esto es así, dado que con compresión
MPEG2 se requiere, para transferir imagen, sonido y títulos,
cerca de 0,5 MB/seg. Si efectuamos: 135 min x 60 seg/min x 0,5
MB/seg., resulta un valor cercano a 4,7 GB.
Los DVD-ROM de
"doble capa" presentan (figura 3) una capa
semi-transparente reflectiva con oro (que puede guardar 3,8
GB), la cual se encuentra debajo de la capa reflectora (4,7
GB) metalizada con plata. Sumando ambas capacidades resultan
en total 8,5 GB.
Para leer la
capa semi-transparente el haz láser es enfocado en ella con
baja potencia, mientras que la lectura de la capa reflectiva
se realiza enfocando en ésta el haz, ahora con mayor
potencia, para que atraviese la capa semi-transparente al
incidir, y cuando se refleja.
También se están
fabricando DVD-ROM de "simple capa" y "doble
cara", para ser leídos en ambas caras, con lo cual se
logra 4,7 GB x 2 = 9,4 GB; y DVD-ROM de "doble capa"
y "doble cara", de 8,5 x 2 = 17 GB. Estos CD están
muy expuestos a las rayaduras, por ser más finas las capas
protectoras transparentes( Ver figura debajo).
DVD-RAM
Un DVD-RAM es análogo
a un CD-RW re-escribible antes descripto, pero tiene mayor
capacidad, merced al empleo de un láser de menor longitud de
onda que los usados.
Debido a las limitaciones de fabricación masiva de láseres
azules de potencia de corta longitud de onda, la capacidad de
los DVD-RAM es de 2,6 GB frente a los 4,7 GB de los DVD-ROM.
Potencialmente, los DVD-RAM pueden ser competidores de las
cintas magnéticas para "backups" si el costo por
byte almacenado lo justifica.
Sintetizando
Las tecnologías de grabación (escritura) a
desarrollar son:
por moldeado
durante la fabricación, mediante un molde de níquel (CD-ROM
y DVD ROM),
por la acción de un haz láser (CD-R y CD-RW, también
llamado CD-E),
por la acción de un haz láser en conjunción con un campo
magnético (discos magneto-ópticos - MO).
Son aplicaciones comunes de los discos ópticos: las bases de
datos en CD ROM para bibliotecas de datos invariables
(enciclopedias, distribución de software, manuales de
software, demos, etc.), y para servidores de archivos en una
red local, así como el uso de CD-R (grabables por el usuario)
para backups, y las bibliotecas de Imágenes.
Algunas
características importantes de los discos ópticos:
Son medios
removibles con capacidad para almacenar masivamente datos en
pequeños espacios.
Son portables (removibles de la unidad) y seguros en la
conservación de datos.
Tienen bajo costo por byte almacenado.
Los CD-ROM se producen masivamente
Los CD son más seguros en la conservación de datos que los
discos magnéticos debido a que la capa que los almacena es
inmune los campos magnéticos caseros, y están protegidos de
la corrosión ambiental, etc.
Existen 3 tipos
de discos ópticos o magnetos ópticos que se utilizan en la
informática:
1. Grabado
masivamente por el fabricante, para ser sólo leídos: como lo
son el CD ROM (Disco compacto de sólo lectura) y el DVD ROM
(Digital Versatil Disc de sólo lectura). En éstos, a partir
de un disco "maestro" grabado con luz láser, se
realizan múltiples copias obtenidas por inyección de
material (sin usar láser). Se obtienen así discos con una
fina capa de aluminio reflectante -entre dos capas
transparentes protectoras-. Dicha capa guarda en una cara unos
y ceros con huecos discontinuos( o sea formando pits y lands)
, que forman una sola pista en espiral. La espiral es leída
con luz láser por la unidad de CD del usuario.
2. Gravable una
sola vez por el usuario: el CD-R (CD Recordable) o WORM.
En la escritura, el haz láser sigue una pista en espiral
pre-construida en una capa de pigmento. Donde el haz incide,
su calor decolora para siempre el punto de incidencia. En la
lectura, esta capa deja pasar el haz láser hacia la capa
reflectora dorada que está más arriba, reflejándose de
forma distinta según que el haz haya atravesado un punto
decolorado o no, detectándose así unos y ceros. Ambas capas
están protegidas por dos capas transparentes. Una vez
escrito, un CD-R puede leerse como un CD-ROM.
3.
Borrables-regrabables: en la tecnología de grabación
magneto-óptico (MO), la luz láser calienta puntos (que serán
unos) de una capa -previamente magnetizada uniformemente- para
que pierdan su magnetismo original (este corresponde a ceros).
Al mismo tiempo, un campo magnético aplicado produce sólo en
dichos puntos una magnetización contraria a la originaria
(para así grabar unos).
Estas
diferencias puntuales de magnetización son detectadas en la
lectura por la luz láser (con menos potencia), dado que
provocan distinta polarización de la luz láser que reflejan.
Otro tipo de CD ópticos re-escribibles son los CD-E
(CD-Erasable), hoy designados CD-RW (CD ReWritable), con
escritura "por cambio de fase" (de cristalina a
amorfa o viceversa) de los puntos de la capa del disco que
guarda los datos. Se trata de una tecnología puramente óptica,
sin magnetismo, que requiere una sola pasada para escribir una
porción o la pista en espiral completa. En la tecnología PD
(Phase change/Dual) que también es por cambio de fase, la
unidad escribe pistas concéntricas. "Dual" indica
que la unidad también puede leer CD con pistas en espiral
(CD-ROM, CD-R, CD-RW).
Trabajo
enviado por:
Adrian Saal
tato_s@arnet.com.ar
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